半導體工藝技術(shù)：它的歷史、趨勢和演變

半導體行業(yè)的數(shù)字、模擬、工具、制造和材料領(lǐng)域都有重大發(fā)展。芯片開發(fā)需要從設(shè)計到制造的各個層面的先進復雜工藝。為了應對目前正在蔓延的對半導體日益增長的需求，需要從建筑設(shè)計到可持續(xù)材料采購和端到端制造進行重大變革。因此，采用高效的最新技術(shù)，并解決先進工藝節(jié)點的生產(chǎn)，是該行業(yè)的現(xiàn)狀。

物聯(lián)網(wǎng)和半導體用于數(shù)字化轉(zhuǎn)型：

最近，我們的互聯(lián)網(wǎng)、智能設(shè)備和5g都有了重大發(fā)展。我們需要從根本上了解將導致這一新創(chuàng)新的基本技術(shù)。隨著半導體技術(shù)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)和5g，人工智能的進化將盡早到來。在過去的30年里，半導體技術(shù)已經(jīng)成為提升計算能力的驅(qū)動力。一般來說，大約50%的計算硬件成本被認為是半導體?；谶@種半導體技術(shù)，人工智能計算設(shè)備將更無縫地滲透到社會中。例如，自動駕駛汽車是一種移動邊緣計算，使用高級算法來處理和分析運行數(shù)據(jù)。有了5g通信基礎(chǔ)設(shè)施，人工智能和機器學習使用計算機視覺來了解周圍環(huán)境，并計劃和執(zhí)行安全駕駛操作。這使移動更加安全、智能和高效。從供水系統(tǒng)到服裝，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將任何產(chǎn)品都變成了智能設(shè)備。高需求行業(yè)包括零售、醫(yī)療保健、生命科學、消費品和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

在即將到來的創(chuàng)新中，個性化芯片變得更容易獲得，芯片生產(chǎn)變得更高效，更重要的是，更可持續(xù)。當連接設(shè)備在未來變得更加流行時，物聯(lián)網(wǎng)對半導體行業(yè)變得更加重要。在智能手機行業(yè)停滯不前之后的當下，我們必須尋找其他方式來發(fā)展一個有潛力的行業(yè)。當然，最合乎邏輯的選擇是物聯(lián)網(wǎng)。由于沒有傳感器和集成電路，物聯(lián)網(wǎng)應用就無法工作，因此所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要半導體。在長期引領(lǐng)半導體行業(yè)增長的智能手機市場趨于平淡的同時，物聯(lián)網(wǎng)市場將為半導體制造商帶來新的收入，并將從每年3%增長到4%。

半導體的巨大趨勢和未來前景

半導體的工藝節(jié)點是指示諸如芯片之類的晶體管的大小的指標。節(jié)點數(shù)量逐年增加，計算能力也相應提高。這是一個節(jié)點，意味著不同的電路生成和架構(gòu)。技術(shù)節(jié)點越小，功能尺寸越小，晶體管越小，能效越快。因此，更小的外形尺寸能夠開發(fā)出更復雜的計算機和設(shè)備。工藝節(jié)點與CMOS晶體管的性能之間也存在相關(guān)性。頻率、功率和物理大小會隨著工藝節(jié)點的選擇而變化。因此，了解半導體工藝在未來如何演變變得非常重要。半導體技術(shù)節(jié)點的歷史可以追溯到20世紀70年代，當時英特爾宣布了第一個微處理器4004。從那時起，隨著半導體技術(shù)的節(jié)點尺寸的發(fā)展，計算能力呈指數(shù)級增長。現(xiàn)在，它生產(chǎn)更小、更強大的設(shè)備，如智能手機、平板電腦和可穿戴終端。例如，蘋果A15仿生學采用了7納米節(jié)點技術(shù)，這是蘋果目前最新產(chǎn)品的核心，可操作近40億個晶體管。

工藝節(jié)點在半導體技術(shù)中的作用

影響微控制器性能的一個重要因素是半導體節(jié)點。由于技術(shù)進步，每臺微型計算機中的節(jié)點數(shù)量都有所增加，過去幾年的這一趨勢預計將持續(xù)下去。技術(shù)節(jié)點（工藝節(jié)點、工藝技術(shù)或簡稱為節(jié)點）是指特定的半導體制造工藝及其設(shè)計規(guī)則。如果節(jié)點不同，則電路的生成或架構(gòu)通常不同。技術(shù)節(jié)點越小，功能尺寸越小，晶體管越小，速度越快，能效越高。這里，從歷史的角度來看，工藝節(jié)點的名稱取自晶體管的各種特性，例如柵極長度和M1半節(jié)距。然而，最近，營銷和制造商之間的差異已經(jīng)失去了它們曾經(jīng)的確切含義。一個新的技術(shù)節(jié)點，如22nm、16nm、14nm和10nm，只是某些技術(shù)制造的芯片產(chǎn)生的指標。它不反映門的長度或半節(jié)距。然而，目前的情況是，主要制造商的命名受到尊重。

最初，初期的半導體工藝以HMOs III和CHMOS v命名。新一代工藝將被稱為技術(shù)節(jié)點或工藝節(jié)點。這是工藝晶體管納米（歷史上為一微米）工藝（如90nm工藝）的最小特征尺寸的柵極長度的表示。然而，自1994年以來，情況發(fā)生了變化，工藝節(jié)點名稱所用的納米數(shù)已成為一個與實際功能尺寸和晶體管密度（每平方毫米晶體管數(shù)）無關(guān)的營銷術(shù)語。

技術(shù)節(jié)點的演變

開始技術(shù)節(jié)點對應于晶體管的物理特征尺寸。每臺微型計算機都由晶體管組成，晶體管本質(zhì)上切換電流，使微型計算機能夠執(zhí)行邏輯功能。技術(shù)節(jié)點，如28nm和65nm，指向可以在布局上繪制的最小數(shù)據(jù)形狀（半節(jié)距或柵極長度）。然而，在技術(shù)節(jié)點的名稱中沒有標準規(guī)則，并且上述28nm和65nm是從傳統(tǒng)平面MOSFET中所示的晶體管的最小柵極長度導出的。該技術(shù)節(jié)點通常顯示如何將高密度晶體管放置在1平方毫米的基板上。然而，隨著技術(shù)創(chuàng)新發(fā)生在22納米和鰭狀場效應晶體管（FinFET）之后，結(jié)構(gòu)變得三維，字柵極長度不再適合工藝技術(shù)。隨著從平面結(jié)構(gòu)到FinFET和柵極環(huán)繞FET（GAA-FET）的轉(zhuǎn)變，諸如10nm和5nm的技術(shù)節(jié)點不再反映柵極長度和半節(jié)距。

為了實現(xiàn)下一代IoT設(shè)備，瑞薩在開發(fā)新工藝技術(shù)方面發(fā)揮著重要作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，設(shè)計師們正在尋求減小設(shè)備的尺寸、速度和節(jié)能。為了滿足這種需求，瑞薩開發(fā)了一種新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備最小化和低功耗工藝技術(shù)。它有40納米優(yōu)化的閃存微型計算機，具有最小功耗和最大性能，110納米優(yōu)化的寬電壓范圍和最小功耗。瑞薩rl78、RA和Rx微型計算機可以以比以往任何時候都更高的速度運行，并以低功耗運行，同時保留所有功能和特點。

瑞薩是一家為工業(yè)和消費電子產(chǎn)品提供半導體解決方案的領(lǐng)先公司，也是支持物聯(lián)網(wǎng)和最近的國際物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)開發(fā)的先進方法。一個例子是我們在稱為mf4的110 nm區(qū)域開發(fā)了自己的低功率工藝技術(shù)，這導致了適用于廣泛端點的超低功率器件的開發(fā)。隨著從汽車到消費電子產(chǎn)品的所有產(chǎn)品都連接到互聯(lián)網(wǎng)，以及越來越多的設(shè)備上網(wǎng)，對這些低功耗設(shè)備的需求正在增加，能源消耗也有增加的風險。為了解決這個問題，瑞薩開發(fā)了一種新的電源管理系統(tǒng)，可以將功耗降低30%，從而可以用比以往更低的功率生產(chǎn)更小的芯片。